CN110957480A - 一种CNTs-Co3O4复合钠离子电池负极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高比容量的CNTs‑Co3O4复合钠离子电池负极材料的制备方法，所述方法通过喷雾干燥技术制备了三维碳纳米管‑四氧化三钴复合钠离子电池负极材料。所述负极材料包括三维的碳纳米管微球，并且在微球表面以及内部散布有四氧化三钴颗粒存在，在作为钠离子电池负极材料时，可以更有效的提升电化学容量，增强其循环稳定性。

Description

一种CNTs-Co3O4复合钠离子电池负极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高比容量的CNTs-Co3O4复合钠离子电池负极材料的制备方法，特别涉及一种通过喷雾干燥制备三维碳纳米管-四氧化三钴复合钠离子电池负极材料的方法，属于材料化学领域。
背景技术
在众多的能量存储设备中，锂离子电池因具有高能量密度和长循环寿命等优点，已迅速成为了便携式电子设备的重要电源。然而，对于大规模的能量存储，比如电动汽车和电网等相关应用，锂离子电池却面临着巨大挑战，主要原因是锂的储量非常有限(在地壳中仅占 0.002％)，致使锂离子电池价格昂贵，很大程度上制约着锂离子电池的大规模应用。因此，发展用于大规模储能的新型储能技术已成为迫切的需求。
钠与锂为同一主族元素，具有非常相似的电化学性质，钠离子电池也能实现可逆充放电过程，而且钠的储量非常高(在地壳中约占 2.74％)，因此，钠离子电池具有钠资源丰富和成本低廉的突出优势，被认为是今后在大规模储能领域可能替代锂离子电池的最佳候选。然而，与锂元素相比，钠元素的相对原子质量较高，导致其理论比容量偏低；同时Na+半径比Li+大(Na+半径：0.106nm，Li+半径：0.076nm)，使得Na+在电极材料中嵌入/脱嵌更难，造成电池的循环性能差，严重制约着钠离子电池的商业化应用。
目前，针对钠离子电池正极材料的研究已经取得了显著的进步，但对于负极材料的研究仍然有许多问题亟待解决。其中研究较多的包括石墨等。石墨虽然具有较高的储锂容量，但储钠能力很差，普遍认为是石墨的层间距(0.336nm)不适合Na离子的嵌入所致。因此，如何进一步提高碳材料作为钠离子电池负极的比容量、倍率性能和循环性能，成为限制碳材料作为钠离子电池负极材料大规模应用的关键问题。
发明内容
本发明为了克服钠离子电池放电比容量不高，循环稳定性差的缺陷，本发明设计通过喷雾干燥技术制备三维碳纳米管-四氧化三钴复合钠离子电池负极材料。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：
一种CNTs-Co3O4复合钠离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
取多壁碳纳米管分散液1-10mL，聚苯乙烯微球5-10g，醋酸钴 0.5-1g混合并溶于100-200mL乙醇的水溶液中(乙醇的体积浓度为 5％-10％)，之后超声30-60min得到混合均匀的溶液，在120-160℃条件下进行喷雾干燥，并收集干燥产物。将干燥产物置于管式炉中，在氩气气氛下升温至200-300℃，升温速率为1-5℃/min，保温1-2h，随后升温至400-600℃，保温1-2h，升温速率为1-5℃/min，保温完成后随炉冷却，即得碳纳米管-四氧化三钴复合钠离子电池负极材料。
进一步的，所述多壁碳纳米管分散液的浓度为10-100mg/mL。
进一步的，所述乙醇的水溶液中，乙醇的浓度为5％-10％。
进一步的，所述聚苯乙烯微球的粒径为30-100nm。
进一步的，管式炉中的反应全程均在氩气气氛下进行。
本发明的有益效果如下：
本发明采用碳纳米管与聚苯乙烯微球制备前驱体，一维的碳纳米管在喷雾干燥的作用下堆簇在数个聚苯乙烯的团聚体表面，在随后的煅烧过程中，聚苯乙烯微球被除去，得到中空的三维碳纳米管微球。同时，由于醋酸钴的引入，在喷雾干燥以及后续煅烧的过程中，依附在碳纳米管与聚苯乙烯微球表面的钴离子被氧化得到四氧化三钴，综上，本发明最终得到一个三维的碳纳米管微球，并且在微球表面以及内部散布有四氧化三钴颗粒存在，这样的设计使得其在作为钠离子电池负极材料时，可以更有效的提升电化学容量，增强其循环稳定性。
附图说明
图1为实施例1所制得的CNTs-Co3O4复合钠离子电池负极材料的扫描电镜图。
图2为实施例1所制得的CNTs-Co3O4复合钠离子电池负极材料的放电比容量循环图。
具体实施方式
实施例1：
取市售多壁碳纳米管分散液5mL(浓度为50mg/mL),聚苯乙烯微球(粒径为50nm)6g，醋酸钴0.8g混合并溶于150mL乙醇的水溶液中(乙醇的体积浓度为8％)，之后超声60min得到混合均匀的溶液，在150℃条件下进行喷雾干燥，并收集产物。之后将所得产物置于管式炉中，在氩气气氛下升温至250℃，升温速率为2℃/min,保温2h，随后升温至500℃，保温2h，升温速率为2℃/min,保温完成后随炉冷却，全程均在氩气气氛下进行。
实施例2：
取市售多壁碳纳米管分散液5mL(浓度为100mg/mL),聚苯乙烯微球(粒径为100nm)10g，醋酸钴1g混合并溶于200mL乙醇的水溶液中(乙醇的体积浓度为10％)，之后超声60min得到混合均匀的溶液，在160℃条件下进行喷雾干燥，并收集产物。之后将所得产物置于管式炉中，在氩气气氛下升温至300℃，升温速率为5℃/min, 保温2h，随后升温至600℃，保温2h，升温速率为5℃/min,保温完成后随炉冷却，全程均在氩气气氛下进行。
实施例3：
取市售多壁碳纳米管分散液(浓度为10mg/mL)5mL,聚苯乙烯微球(粒径为30nm)5g，醋酸钴0.5g混合并溶于100mL乙醇的水溶液中(乙醇的浓度为5％)，之后超声30min得到混合均匀的溶液，在120℃条件下进行喷雾干燥，并收集产物。之后将所得产物置于管式炉中，在氩气气氛下升温至200℃，升温速率为1℃/min,保温1h，随后升温至400℃，保温1h，升温速率为1℃/min,保温完成后随炉冷却，全程均在氩气气氛下进行。

Claims (5)

1.一种CNTs-Co3O4复合钠离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
取多壁碳纳米管分散液1-10mL，聚苯乙烯微球5-10g，醋酸钴0.5-1g混合并溶于100-200mL乙醇的水溶液中，之后超声30-60min得到混合均匀的溶液，在120-160℃条件下进行喷雾干燥，并收集干燥产物；将干燥产物置于管式炉中，在氩气气氛下升温至200-300℃，升温速率为1-5℃/min，保温1-2h，随后升温至400-600℃，保温1-2h，升温速率为1-5℃/min，保温完成后随炉冷却，即得碳纳米管-四氧化三钴复合钠离子电池负极材料。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述多壁碳纳米管分散液的浓度为10-100mg/mL。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述聚苯乙烯微球的粒径为30-100nm。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述乙醇的水溶液中，乙醇的体积浓度为5％-10％。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：管式炉中的反应全程均在氩气气氛下进行。
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